EP3042222A1 - Système et procédé de detection de rayonnements neutron, gamma et muon avec des scintillateurs plastiques contigus - Google Patents

Système et procédé de detection de rayonnements neutron, gamma et muon avec des scintillateurs plastiques contigus

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EP3042222A1
EP3042222A1 EP14759188.7A EP14759188A EP3042222A1 EP 3042222 A1 EP3042222 A1 EP 3042222A1 EP 14759188 A EP14759188 A EP 14759188A EP 3042222 A1 EP3042222 A1 EP 3042222A1
Authority
EP
European Patent Office
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scintillators
pulses
plastic
plastic scintillators
coincidences
Prior art date
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EP14759188.7A
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German (de)
English (en)
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EP3042222B1 (fr
Inventor
Guillaume Sannie
Gwenole Corre
Vladimir Kondrasovs
Stéphane NORMAND
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Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Original Assignee
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
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Publication date
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01T—MEASUREMENT OF NUCLEAR OR X-RADIATION
    • G01T1/00—Measuring X-radiation, gamma radiation, corpuscular radiation, or cosmic radiation
    • G01T1/16—Measuring radiation intensity
    • G01T1/20—Measuring radiation intensity with scintillation detectors
    • G01T1/203—Measuring radiation intensity with scintillation detectors the detector being made of plastics
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01T—MEASUREMENT OF NUCLEAR OR X-RADIATION
    • G01T1/00—Measuring X-radiation, gamma radiation, corpuscular radiation, or cosmic radiation
    • G01T1/16—Measuring radiation intensity
    • G01T1/20—Measuring radiation intensity with scintillation detectors
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01T—MEASUREMENT OF NUCLEAR OR X-RADIATION
    • G01T3/00—Measuring neutron radiation
    • G01T3/06—Measuring neutron radiation with scintillation detectors

Definitions

  • the field of the invention is that of the detection of radioactivity, in particular to detect the possible passage of a radioactive source in the vicinity of a security gantry.
  • the installation of devices for the detection of radioactivity applies, for example, to vehicular and pedestrian access to nuclear installations and to many public places, such as ports for maritime containers, airports, railway stations, customs.
  • plastic scintillators have been recommended to circumvent this difficulty.
  • plastic scintillators have the advantage of making it possible to make solid detectors, simple to manufacture, without export restrictions, not containing toxic products.
  • the low cost of plastic scintillators is also an important industrial argument.
  • no single plastic scintillator detector can achieve the objectives of the standards for vehicle control, that is to say free from gamma background noise to detect at a distance of 2 meters a source of Cf252 emitting 20,000 neutrons per second in 4 n.
  • the plastic scintillator detector is of low density and delivers a pulse signal whose shape is very similar for gammas, muons and neutrons.
  • the difficulty encountered by manufacturers is to make a detection device that is both sensitive to neutrons, and that allows to get rid of gammas and muons naturally present in the environment.
  • the standards require that despite the presence of a high intensity gamma source generating more than one million shots per second, the detector remains sensitive to neutrons from low intensity sources (for example generating approximately 10 shots per second). second on the detection device).
  • the invention aims to solve this problem, and proposes for this purpose a radiation detection system comprising:
  • plastic scintillators juxtaposed in such a way as to form at least one pair of contiguous plastic scintillators
  • a photomultiplier associated with each plastic scintillator for providing an electrical signal representative of the light signal generated in the plastic scintillator
  • a calculator configured for:
  • o for each pulse coincidence determine the time difference between the coincidence pulses relative to the larger amplitude pulse taken as a zero reference; o determine the number of coincidences of pulses whose time difference is included in a window of time difference.
  • the computer is configured to select the coincidences of pulses in three windows of time difference, so as to discriminate neutrons, gammas and muons;
  • the computer is furthermore configured to determine the number of pulses generated in a plastic scintillator as a function of their amplitude, and to count the number of pulses whose amplitude is between a low threshold and a high threshold;
  • plastic scintillators forming at least two pairs of contiguous plastic scintillators
  • a sheet of cadmium or gadolinium is interposed between the plastic scintillators of the at least one pair of contiguous plastic scintillators;
  • plastic scintillators have a parallelepipedic shape
  • plastic scintillators have a cross section of decimetric dimensions
  • the plastic scintillators are scintillators of multi-decimetre length; the time window for detecting pulse coincidences is less than
  • the invention relates to a radiation detection method, comprising the following steps implemented by a computer connected to photomultipliers associated with plastic scintillators juxtaposed so as to form at least one pair of contiguous plastic scintillators :
  • FIGS. 1a and 1b illustrate the arrangement of plastic scintillators used in a detection system according to the invention
  • FIG. 2 illustrates an embodiment of a detection system according to the invention
  • FIG. 3 represents the number of coincidences of pulses as a function of their time difference relative to the pulse of greater amplitude taken as zero reference;
  • FIG. 4 represents a pulse filtering as a function of their amplitude that can be implemented in a possible embodiment of the invention DETAILED DESCRIPTION OF PARTICULAR EMBODIMENTS
  • the invention relates to a radiation detection system 1 comprising plastic scintillators S1-S4, S1-SN juxtaposed so as to form at least one pair of contiguous plastic scintillators.
  • Plastic scintillators whose number can vary from two to a few tens, are thus placed in contact with each other.
  • the number of plastic scintillators is preferably at least three, so as to form at least two pairs of contiguous plastic scintillators.
  • four scintillators are used to form three pairs of plastic scintillators contiguous S1-S2, S2-S3 and S3-S4. It will be noted that the scintillators are identical; they are, for example, EJ-200 scintillators from Eljen Technology.
  • the scintillators preferably take a parallelepipedal shape, and preferably have a cross section of decimetric dimensions and a multi-decimetre length, for example 10 * 10 * 100 cm.
  • the parallelepiped geometry offers a large detection surface and a flat interface between scintillators.
  • the consequent length makes it possible to collect interactions of an average distance of 50 cm which allows the separation then the temporal selection of the pulses.
  • the decimetre dimensions make it possible to discriminate the fast interacting particles (for example the muons and the high energy gammas) of the slow particles (like the neutrons).
  • a sheet of cadmium or gadolinium is interposed between the faces in contact with the plastic scintillators of at least one pair of contiguous plastic scintillators.
  • This sheet of thickness for example between 0.1 to 5 mm, can be placed on all sides of a scintillator.
  • the use of such a sheet is advantageous in that the interaction of neutrons with cadmium, gadolinium or any other equivalent neutron interacting cross section material promotes the creation of fast gamma collected by the plastic. The sensitivity of the system is thus improved by the presence of such a sheet, with a gain of 10 on the native intrinsic efficiency of the scintillating plastic to detect neutrons.
  • a photomultiplier P1-P4, P'l-P'4, P1-PN at least is associated with each plastic scintillator to provide an electrical signal representative of the light signal generated in the plastic scintillator.
  • a photomultiplier is arranged at one end of the plastic scintillator and locates an interaction along the scintillator.
  • a photomultiplier P1-P4 may be associated with each scintillator S1-S4. It is also possible to use two photomultipliers P1-P4, P'l-P'4 by scintillator S1-S4, each placed at one end of the scintillator as shown in Figure lb.
  • the use of two Scintillator photomultipliers have the advantage of making it possible to better distinguish the muons, which cross and interact along the detectors, neutrons, which have localized interactions in a (decimetric) zone of the detector.
  • the detection system 1 also comprises a computer 2 connected to the photomultipliers P1-PN via analog-digital converters 3.
  • the system 1 can also comprise a human-machine interface module 4, For example, a screen on which the results of the measurements are returned.
  • the computer is configured to implement an algorithm described below which allows to select the pulses generated in the detectors based on the physical properties of neutron, gamma and muon particles, including differences in speed and energy.
  • the speed is translated by a date of relative time difference between two pulses and a duration of the pulses, while the energy is expressed by the amplitude of the pulse.
  • the computer compares the signals coming from a pair of contiguous scintillators, this comparison being advantageously carried out for each pair when several are counted, in order to detect pulses originating from the same type of nuclear radiation (high and low gamma). energy, neutron and muon).
  • Neutrons interact in a plastic scintillator in two stages. Fast neutrons generate collisions with hydrogen nuclei in plastic detectors. These elastic collisions put in movement at each collision a proton of recoil.
  • the recoil protons ionize the electronic layers of the atoms of the plastic which leads, by energy transfer, to the emission of light.
  • the average energy released by the recoil protons is about 0.1 to 0.4 MeV.
  • the neutrons interact with cadmium to create a very high energy gamma flash flash of about 8 MeV, which in turn will interact with the plastic.
  • the first and second neutron interactions with the detection system are separated in time by an average of 20 ns (from 4 to 40 ns). In addition, energy level of these two interactions is very different. Neutrons move at a rate proportional to their energy, ie about 1.5 cm / ns for an energy of 2 MeV. The gamma flash moves at the speed of light is 30 cm / ns.
  • 60 KeV gamma at 2 MeV interact with plastic scintillators with high efficiency.
  • the gamma moves at the speed of 30 cm / ns and is detected almost simultaneously in the different scintillators.
  • we detect on the contiguous scintillators a first peak of high amplitude followed almost instantaneously by a second peak Compton of less amplitude.
  • two adjacent peaks of the same amplitude are detected on the adjacent scintillators.
  • the detection system calculator uses these properties as follows to discriminate neutrons, gamma and muons.
  • the computer is first configured to detect, in a time window, coincidences of pulses between the electrical signals provided by the photomultipliers associated with a pair of contiguous plastic scintillators.
  • the time window is preferably less than +/- 50 ns, for example +/- 40 ns. The short duration of this window makes it possible, after two coincidence pulses have been detected, to make available the computer to detect the following coincidences.
  • systems working by detecting delayed neutrons must mobilize the electronics some 100,000,000 ns, instead of 40 ns for the system according to the invention.
  • the computer is further configured to determine, for each pulse coincidence, the time difference between the coincident pulses relative to the larger amplitude pulse taken as the zero reference.
  • FIG. 3 shows the number N of coincidences of pulses as a function of their time difference ⁇ as determined by the computer. We thus discriminate pulses that interact almost simultaneously, those that interact with a delay of about ten nanoseconds. The gamma coincidences are thus centered around the temporal reference 0. Gamas are indeed the fastest particles to interact in two adjacent plastic detectors. They form a central peak on the temporal spectrum (from -3 to + 3 ns globally).
  • the computer is furthermore configured to determine the number of coincidences of pulses whose time difference is included in a window of time difference. It is thus possible to select the coincidences of pulses involving a particular type of nuclear radiation.
  • a time difference window comprising discrepancies of less than 3 ns in absolute value makes it possible to count the gammas, whereas a time difference window comprising the differences between 3 and 10 ns in absolute value makes it possible to count the muons, and a window of time difference comprising the differences between 10 and 40 ns in absolute value makes it possible to count the neutrons.
  • the computer can be further configured to determine the number of pulses generated in a scintillator plastic depending on their amplitude. The pulses are then discriminated by a low threshold SI and a high threshold S2, only the pulses between these thresholds being counted. It is thus possible to eliminate the pulses originating from gamma radiation counts whose amplitude is still much lower (generally 10 times lower) than those of prompt gamma.
  • FIG. 4 shows such pulse filtering as a function of their amplitude, in an energy spectrum representing the number of pulses generated I as a function of their amplitude A. It follows from this filtering an improvement in the resolution in energy (the low-energy spectrum displays counting values close to zero instead of very high values) which makes it possible to identify a low-energy gamma-emitting radioisotope such as Americium 241 at 59 keV.
  • the invention is not limited to the detection system as described above, but also extends to the method implemented by the computer, in particular the realization of the following steps:
  • the invention also extends to a computer program product having code instructions for executing said steps when the program is run on a computer.

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Abstract

L'invention porte sur un système de détection de radiation (1), comprenant : - des scintillateurs plastiques (S1-S4, S1-SN) juxtaposés de telle manière à former au moins une paire de scintillateurs plastiques contigus; - un photomultiplicateur (P1-P4, P'1-P'4, P1-PN) associé à chaque scintillateur plastique pour fournir un signal électronique représentatif du signal lumineux généré dans le scintillateur plastique; - un calculateur (2) relié aux photomultiplicateurs et configuré pour : o détecter des coïncidences entre deux impulsions électriques fournis par les photomultiplicateurs associés à une paire de scintillateurs plastiques contigus; o pour chaque coïncidence d'impulsions, déterminer l'écart temporel entre les impulsions en coïncidence relativement à l'impulsion de plus grande amplitude prise comme référence zéro; o déterminer le nombre de coïncidences d'impulsions dont l'écart temporel est compris dans une fenêtre d'écart temporel.

Description

SYSTÈME ET PROCÉDÉ DE DETECTION DE RAYONNEMENTS NEUTRON, GAMMA ET MUON AVEC DES SCINTILLATEURS PLASTIQUES CONTIGUS
DESCRIPTION
DOMAINE TECHNIQUE
Le domaine de l'invention est celui de la détection de la radioactivité, notamment pour détecter le passage éventuel d'une source radioactive à proximité d'un portique de sécurité.
L'installation de dispositifs pour la détection de la radioactivité s'applique par exemple aux accès véhicule et piéton des installations nucléaires et de nombreux lieux publics, tels que les ports pour les conteneurs maritimes, les aéroports, les gares, les douanes.
ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE
On cherche à réaliser des portiques de contrôle de radioactivité qui soient de grande sensibilité dans le but de détecter rapidement la radioactivité potentielle au passage de véhicules et de personnes en mouvement. Il s'avère en particulier nécessaire de discriminer les parties de rayonnement provenant des neutrons des parties provenant des gammas et des muons.
La mesure des neutrons était réalisée par le passé avec des détecteurs à base d'Hélium 3. Or depuis près de dix ans, les industriels qui développent des portiques de contrôle des personnes et des biens sont confrontés à la rareté de l'Hélium 3 et au coût croissant de ces détecteurs.
L'utilisation de scintillateurs plastique a été préconisée pour contourner cette difficulté. De tels scintillateurs plastiques présentent l'avantage de permettre de réaliser des détecteurs solides, simples à fabriquer, sans restrictions d'export, ne contenant pas de produits toxiques. Le faible coût des scintillateurs plastiques est en outre un argument industriel important. Toutefois, à ce jour aucun détecteur à scintillateur plastique simple ne peut atteindre les objectifs des normes pour le contrôle des véhicules, c'est-à-dire s'affranchir du bruit de fond gamma pour détecter à une distance de 2 mètres une source de Cf252 émettant 20 000 neutrons par seconde dans 4 n.
L'inconvénient est que le détecteur à scintillateur plastique est de faible densité et délivre un signal impulsionnel dont la forme est fort similaire pour les gammas, les muons et les neutrons. La difficulté que rencontre les industriels est de réaliser un dispositif de détection qui soit à la fois sensible aux neutrons, et qui permette de s'affranchir des gammas et muons naturellement présent dans l'environnement. De plus, les normes imposent que malgré la présence d'une source gamma de forte intensité générant de plus d'un million de coups par seconde, le détecteur reste sensible aux neutrons issus de sources de faible intensité (par exemple générant environ 10 coups par seconde sur le dispositif de détection).
EXPOSÉ DE L'INVENTION L'invention a pour objectif de résoudre cette difficulté, et propose pour ce faire un système de détection de radiation comprenant :
- des scintillateurs plastiques juxtaposés de telle manière à former au moins une paire de scintillateurs plastiques contigus ;
- un photomultiplicateur associé à chaque scintillateur plastique pour fournir un signal électrique représentatif du signal lumineux généré dans le scintillateur plastique ;
- un calculateur configuré pour :
o détecter, dans une fenêtre temporelle, des coïncidences d'impulsions entre les signaux électriques fournis par les photomultiplicateurs associés à une paire de scintillateurs plastiques contigus ;
o pour chaque coïncidence d'impulsions, déterminer l'écart temporel entre les impulsions en coïncidence relativement à l'impulsion de plus grande amplitude prise comme référence zéro ; o déterminer le nombre de coïncidences d'impulsions dont l'écart temporel est compris dans une fenêtre d'écart temporel.
Certains aspects préférés mais non limitatifs de ce système sont les suivants :
- le calculateur est configuré pour sélectionner les coïncidences d'impulsions dans trois fenêtres d'écart temporel, de sorte à discriminer les neutrons, les gammas et les muons ;
- le calculateur est en outre configuré pour déterminer le nombre d'impulsions générées dans un scintillateur plastique en fonction de leur amplitude, et pour comptabiliser le nombre d'impulsions dont l'amplitude est comprise entre un seuil bas et un seuil haut ;
- il comprend au moins trois scintillateurs plastiques formant au moins deux paires de scintillateurs plastiques contigus ;
- une feuille de cadmium ou de gadolinium est interposée entre les scintillateurs plastiques de l'au moins une paire de scintillateurs plastiques contigus ;
- les scintillateurs plastiques présentent une forme parallélépipédique ;
- les scintillateurs plastiques présentent une section transversale de dimensions décimétriques ;
- les scintillateurs plastiques sont des scintillateurs de longueur multi-décimétrique ; - la fenêtre temporelle de détection des coïncidences d'impulsions est inférieure à
+/- 50 ns.
Selon un second aspect, l'invention porte sur un procédé de détection de radiation, comprenant les étapes suivantes mises en œuvre par un calculateur relié à des photomultiplicateurs associés à des scintillateurs plastiques juxtaposés de telle manière à former au moins une paire de scintillateurs plastiques contigus :
- détection, dans une fenêtre temporelle, de coïncidences d'impulsions entre les signaux électriques fournis par les photomultiplicateurs associés à une paire de scintillateurs plastiques contigus ; - pour chaque coïncidence d'impulsions, détermination de l'écart temporel entre les impulsions en coïncidence relativement à l'impulsion de plus grande amplitude prise comme référence zéro ;
- détermination du nombre de coïncidences d'impulsions dont l'écart temporel est compris dans une fenêtre d'écart temporel.
BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS
D'autres aspects, buts, avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront mieux à la lecture de la description détaillée suivante de formes de réalisation préférées de celle-ci, donnée à titre d'exemple non limitatif, et faite en référence aux dessins annexés sur lesquels :
- les figures la et lb illustrent l'agencement de scintillateurs plastiques utilisés dans un système de détection selon l'invention ;
- la figure 2 illustre un mode de réalisation d'un système de détection selon l'invention ;
- la figure 3 représente le nombre de coïncidences d'impulsions en fonction de leur écart temporel relativement à l'impulsion de plus grande amplitude prise comme référence zéro ;
- la figure 4 représente un filtrage d'impulsions en fonction de leur amplitude pouvant être mis en œuvre dans un mode de réalisation possible de l'invention EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS
En référence aux figures la, lb et 2, l'invention porte sur un système de détection de radiation 1 comprenant des scintillateurs plastiques S1-S4, S1-SN juxtaposés de telle manière à former au moins une paire de scintillateurs plastiques contigus.
Les scintillateurs plastiques, dont le nombre peut varier de deux à quelques dizaines, sont ainsi placés au contact les uns des autres. Le nombre de scintillateurs plastiques est préférentiellement au moins de trois, de manière à former au moins deux paires de scintillateurs plastiques contigus. Sur les figures la et lb, quatre scintillateurs sont utilisés permettant de former trois paires de scintillateurs plastiques contigus S1-S2, S2-S3 et S3-S4. On relèvera que les scintillateurs sont identiques ; il s'agit par exemple de scintillateurs EJ-200 de la société Eljen Technology.
Les scintillateurs prennent de préférence une forme parallélépipédique, et présentent de préférence une section transversale de dimensions décimétriques et une longueur multi-décimétrique, par exemple 10* 10* 100 cm.
La géométrie parallélépipédique offre une surface de détection importante et une interface plane entre scintillateurs. La longueur conséquente permet de collecter des interactions distantes d'en moyenne 50 cm ce qui permet la séparation puis la sélection temporelle des impulsions. Les dimensions décimétriques permettent de discriminer les particules d'interaction rapide (par exemple les muons et les gammas de forte énergie) des particules lentes (comme les neutrons).
Dans un mode de réalisation possible, une feuille de cadmium ou de gadolinium est interposée entre les faces en contact des scintillateurs plastiques d'au moins une paire de scintillateurs plastiques contigus. Cette feuille, d'épaisseur par exemple comprise entre 0, 1 à 5 mm, peut être placée sur toutes les faces d'un scintillateur. Le recours à une telle feuille s'avère avantageux en ce que l'interaction des neutrons avec le cadmium, le gadolinium ou toute autre matériau de section efficace d'interaction avec les neutrons équivalente favorise la création de gammas prompt collectés par le plastique. La sensibilité du système se trouve donc améliorée de par la présence d'une telle feuille, avec un gain de 10 sur l'efficacité intrinsèque native du plastique scintillant à détecter les neutrons.
Un photomultiplicateur P1-P4, P'l-P'4, P1-PN au moins est associé à chaque scintillateur plastique pour fournir un signal électrique représentatif du signal lumineux généré dans le scintillateur plastique. Un photomultiplicateur est agencé à une extrémité du scintillateur plastique et permet de localiser une interaction le long du scintillateur.
Comme illustré sur la figure la, un photomultiplicateur P1-P4 peut être associé à chaque scintillateur S1-S4. On peut également recourir à deux photomultiplicateurs P1-P4, P'l-P'4 par scintillateur S1-S4, chacun placé à l'une des extrémités du scintillateur comme illustré sur la figure lb. L'usage de deux photomultiplicateurs par scintillateur présente l'avantage de permettre de mieux distinguer les muons, qui traversent et interagissent tout le long des détecteurs, des neutrons, qui présentent des interactions localisées dans une zone (décimétrique) du détecteur.
En référence à la figure 2, le système de détection 1 comporte également un calculateur 2 relié aux photomultiplicateurs P1-PN par l'intermédiaire de convertisseurs analogique-numérique 3. Le système 1 peut également comporter un module d'interface homme-machine 4, pa r exemple un écran sur lequel sont restitués les résultats des mesures.
Le calculateur est configuré pour mettre en œuvre un algorithme décrit ci-après qui permet de sélectionner les impulsions générées dans les détecteurs en fonction des propriétés physiques des particules neutron, gamma et muon, notamment les différences de vitesse et d'énergie. La vitesse se traduit pa r une date d'écart de temps relatif entre deux impulsions et une durée des impulsions, tandis que l'énergie se traduit par l'amplitude de l'impulsion.
Le calculateur vient comparer les signaux issus d'une paire de scintillateurs contigus, cette comparaison étant avantageusement réalisée pour chaque paire lorsque l'on en com pte plusieurs, pour détecter des impulsions issues d'un même type de rayonnement nucléaire (gamma haute et basse énergie, neutron et muon).
Les neutrons interagissent dans un scintillateur plastique en deux temps. Les neutrons rapides génèrent des collisions avec les noyaux d'hydrogène dans les détecteurs plastiques. Ces collisions élastiques mettent en mouvement à chaque collision un proton de recul. Les protons de recul ionisent les couches électroniques des atomes du plastique ce qui conduit, par transfert énergétique, à l'émission de la lumière. L'énergie moyenne libérée par les protons de recul est d'environ 0,1 à 0,4 MeV.
Puis, les neutrons interagissent avec le Cadmium pour créer un flash gamma prompt d'énergie très élevée d'environ 8 MeV, qui à son tour va interagir avec le plastique.
La première et la seconde interactions du neutron avec le système de détection sont séparées dans le temps en moyenne de 20 ns (de 4 à 40 ns). De plus le niveau d'énergie de ces deux interactions est très différent. Les neutrons se déplacent à une vitesse proportionnelle à leur énergie soit environ 1,5 cm/ns pour une énergie de 2 MeV. Le flash gamma se déplace à la vitesse de la lumière soit 30 cm/ns.
Ainsi pour les neutrons, on observe sur les scintillateurs contigus un premier pic de faible amplitude provenant du proton de recul suivi d'un second pic de forte amplitude provenant du flash gamma.
Les gamma de 60 KeV à 2 MeV interagissent avec les scintillateurs plastiques avec une grande efficacité. Les gamma se déplacent à la vitesse de 30 cm/ns et sont détectés presque simultanément dans les différents scintillateurs. Et on détecte sur les scintillateurs contigus un premier pic de forte amplitude suivi quasi-instantanément d'un second pic Compton de moindre amplitude. S'agissant des muons, on détecte sur les scintillateurs contigus deux pics de même amplitude quasi-simultanés.
Le calculateur du système de détection utilise ces propriétés de la manière suivante pour discriminer neutrons, gammas et muons.
Le calculateur est tout d'abord configuré pour détecter, dans une fenêtre temporelle, des coïncidences d'impulsions entre les signaux électriques fournis par les photomultiplicateurs associés à une paire de scintillateurs plastiques contigus. La fenêtre temporelle est de préférence inférieure à +/- 50 ns, par exemple de +/- 40 ns. La faible durée de cette fenêtre permet, après que deux impulsions en coïncidence aient été détectées, de rendre disponible le calculateur pour détecter les coïncidences suivantes. Par comparaison, des systèmes travaillant par détection de neutrons retardés doivent mobiliser les électroniques quelques 100 000 000 ns, au lieu de 40 ns pour le système selon l'invention.
Le calculateur est en outre configuré pour déterminer, pour chaque coïncidence d'impulsions, l'écart temporel entre les impulsions en coïncidence relativement à l'impulsion de plus grande amplitude prise comme référence zéro.
On a représenté sur la figure 3, le nombre N de coïncidences d'impulsions en fonction de leur écart temporel Δΐ tel que déterminé par le calculateur. On discrimine ainsi des impulsions qui interagissent de façon presque simultanées, de celles qui interagissent avec un délai de quelques dizaine de nanosecondes. Les coïncidences gammas sont ainsi centrées autour de la référence temporelle 0. Les gammas sont en effet les particules les plus rapides à interagir dans deux détecteurs plastiques mitoyens. Ils forment un pic central sur le spectre temporel (de -3 à + 3 ns globalement).
La mesure de l'écart temporel des impulsions générées par les muons dont l'énergie est très élevée (20 GeV) est légèrement surestimée en raison de la saturation de l'électronique. En conséquence les muons sur le spectre temporel sont distribués de part et d'autre au pied du pic gamma où ils forment des premières bosses (de -10 à -3 ns et de 3 à 10 ns globalement). Les neutrons, 5 à 10 fois plus lents que les gammas, accusent toujours un retard et forment des deuxièmes bosses sur le spectre temporel (de -40 à -10 ns et de 10 à 40 ns globalement) de part et d'autre au pied du pic gamma.
Le calculateur est par ailleurs configuré pour déterminer le nombre de coïncidences d'impulsions dont l'écart temporel est compris dans une fenêtre d'écart temporel. On peut ainsi sélectionner les coïncidences d'impulsions impliquant un type particulier de rayonnement nucléaire. Une fenêtre d'écart temporel comprenant les écarts inférieurs à 3 ns en valeur absolue permet de décompter les gammas, tandis qu'une fenêtre d'écart temporel comprenant les écarts compris entre 3 et 10 ns en valeur absolue permet de décompter les muons, et qu'une fenêtre d'écart temporel comprenant les écarts compris entre 10 et 40 ns en valeur absolue permet de décompter les neutrons.
Considérant une source gamma additive à 1 M c/s (coups par seconde), et trois scintillateurs, on retrouve donc environ 300 000 c/s par scintillateur, soit 1200 coups sur une fenêtre temporelle de 40 ns. Les muons participent également au bruit de fond de 4 à 12 c/s selon la position des scintillateurs par rapport au zénith. Le système de détection selon l'invention permet de réduire ce bruit de fond en détection neutron (il est alors proche de zéro grâce à l'isolation des muons), de sorte que la détection de très faible quantité de neutrons (inférieure à 10 c/s) est rendue possible, de même que la détection de neutrons en présence d'une source gamma additive intense.
Dans un mode de réalisation possible, le calculateur peut être en outre configuré pour déterminer le nombre d'impulsions générées dans un scintillateur plastique en fonction de leur amplitude. Les impulsions sont alors discriminées par un seuil bas SI et un seuil haut S2, seules les impulsions comprises entre ces seuils étant comptabilisées. On peut ainsi éliminer les impulsions ayant pour origine les comptons de rayonnement gammas dont l'amplitude est toujours beaucoup plus faible (globalement 10 fois plus faible) que celles des gammas prompts.
On a représenté sur la figure 4 un tel filtrage d'impulsions en fonction de leur amplitude, dans un spectre d'énergie représentant le nombre d'impulsions générées I en fonction de leur amplitude A. Il découle de ce filtrage une amélioration de la résolution en énergie (le spectre à basse énergie affiche des valeurs de comptage proches de zéro au lieu de valeurs très élevées) qui rend possible l'identification d'un radio- isotope émetteur gamma de faible énergie comme l'Américium 241 à 59 keV.
L'invention n'est pas limitée au système de détection tel que décrit précédemment, mais s'étend également au procédé mis en œuvre par le calculateur, en particulier la réalisation des étapes suivantes :
- détection, dans une fenêtre temporelle, de coïncidences d'impulsions entre les des signaux électroniques fournis par les photomultiplicateurs associés à une paire de scintillateurs plastiques contigus ;
- pour chaque coïncidence d'impulsions, détermination de l'écart temporel entre les impulsions en coïncidence relativement à l'impulsion de plus grande amplitude prise comme référence zéro ;
- détermination du nombre de coïncidences d'impulsions dont l'écart temporel est compris dans une fenêtre d'écart temporel.
Et l'invention s'étend également à un produit programme d'ordinateur comportant des instructions de code pour l'exécution desdites étapes lorsque le programme est exécuté sur un ordinateur.

Claims

REVENDICATIONS
1. Système de détection de radiation (1) comprenant :
- des scintillateurs plastiques (S1-S4, S1-SN) juxtaposés de telle manière à former au moins une paire de scintillateurs plastiques contigus ;
- un photomultiplicateur (P1-P4, P'l-P'4, P1-PN) associé à chaque scintillateur plastique pour fournir un signal électrique représentatif du signal lumineux généré dans le scintillateur plastique ;
- un calculateur (2) configuré pour :
o détecter, dans une fenêtre temporelle, des coïncidences d'impulsions entre les signaux électriques fournis par les photomultiplicateurs associés à une paire de scintillateurs plastiques contigus ;
o pour chaque coïncidence d'impulsions, déterminer l'écart temporel entre les impulsions en coïncidence relativement à l'impulsion de plus grande amplitude prise comme référence zéro ;
o déterminer le nombre de coïncidences d'impulsions dont l'écart temporel est compris dans une fenêtre d'écart temporel.
2. Système selon la revendication 1, dans lequel le calculateur est configuré pour sélectionner les coïncidences d'impulsions dans trois fenêtres d'écart temporel, de sorte à discriminer les neutrons, les gammas et les muons.
3. Système selon l'une des revendications 1 et 2, dans lequel le calculateur est en outre configuré pour déterminer le nombre d'impulsions générées dans un scintillateur plastique en fonction de leur amplitude, et pour comptabiliser le nombre d'impulsions dont l'amplitude est comprise entre un seuil bas et un seuil haut.
4. Système selon l'une des revendications 1 à 3, comprenant au moins trois scintillateurs plastiques formant au moins deux paires de scintillateurs plastiques contigus.
5. Système selon l'une des revendications 1 à 4, dans lequel une feuille de cadmium ou de gadolinium est interposée entre les scintillateurs plastiques de l'au moins une paire de scintillateurs plastiques contigus.
6. Système selon l'une des revendications 1 à 5, dans lequel les scintillateurs plastiques présentent une forme parallélépipédique.
7. Système selon l'une des revendications 1 à 6, dans lequel les scintillateurs plastiques présentent une section transversale de dimensions décimétriques.
8. Système selon l'une des revendications 1 à 7, dans lequel les scintillateurs plastiques sont des scintillateurs de longueur multi-décimétrique.
9. Système selon l'une des revendications 1 à 8, dans lequel la fenêtre temporelle de détection des coïncidences d'impulsions est inférieure à +/- 50 ns.
10. Procédé de détection de radiation, comprenant les étapes suivantes mises en œuvre par un calculateur relié à des photomultiplicateurs associés à des scintillateurs plastiques juxtaposés de telle manière à former au moins une paire de scintillateurs plastiques contigus :
- détection, dans une fenêtre temporelle, de coïncidences d'impulsions entre les signaux électriques fournis par les photomultiplicateurs associés à une paire de scintillateurs plastiques contigus ;
- pour chaque coïncidence d'impulsions, détermination de l'écart temporel entre les impulsions en coïncidence relativement à l'impulsion de plus grande amplitude prise comme référence zéro ;
- détermination du nombre de coïncidences d'impulsions dont l'écart temporel est compris dans une fenêtre d'écart temporel.
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